JPH1149600A - Formation of layer perovskite film - Google Patents

Formation of layer perovskite film

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JPH1149600A
JPH1149600A JP10120924A JP12092498A JPH1149600A JP H1149600 A JPH1149600 A JP H1149600A JP 10120924 A JP10120924 A JP 10120924A JP 12092498 A JP12092498 A JP 12092498A JP H1149600 A JPH1149600 A JP H1149600A
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solvent
film
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dissolving
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ビー. デス セシュ
Pooran C Joshi
シー. ジョシイ プーラン
Xubai Zhang
チャン シュバイ
Sang O Ryu
オー. リュー ソン
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Virginia Tech Intellectual Properties Inc
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide the formation of the thin film having high remnant polarization and a which Curie temp. with a low treatment temp. SOLUTION: This formation comprises: a stage for preparing a first solution by dissolving bismuth 2-ethylhexanoate into a first solvent; a stage for preparing a second solution by dissolving strontium acetate into a second solvent; a stage for preparing a third solution by dissolving tantalum ethoxide into a third solvent; a stage for preparing a homogenous solution by mixing all the first to third solutions prepared in the above respective stages together; and a stage for forming a film on a substrate by depositing the homogenous solution on the substrate, wherein all the stages for preparing the above solutions are performed at the outside room temp.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、広義には、不揮発
性ランダムアクセスメモリと集積電子素子における、特
に、例えば(1-x)SrBi2Ta2O9-xBi3Ti(Ta1-yNby)O9のよ
うな層状ペロブスカイト材料の固溶体の利用法に関し、
室温条件下で調製された化学前駆溶液を用いて、これら
の材料からなる膜の形成方法に関する。
The present invention relates generally to nonvolatile random access memories and integrated electronic devices, and more particularly to, for example, (1-x) SrBi 2 Ta 2 O 9 -xBi 3 Ti (Ta 1 -y Nb respect usage of a solid solution of layered perovskite materials such as y) O 9,
The present invention relates to a method for forming a film made of these materials using a chemical precursor solution prepared at room temperature.

【0002】[0002]

【従来の技術】強誘電性薄膜は、不揮発性ランダムアク
セスメモリ(NVRAM)デバイス及びダイナミックラ
ンダムアクセスメモリ(DRAM)デバイスに適用され
得るため、かなり注目されている(J.F.Scott et al.,"
Ferroelectric Memories",Science,1989参照)。強誘電
性材料の基本特性は、電界がゼロの場合でも2つの安定
な残留分極(±Pr)値を保持できる、すなわち不揮発
性であることと、電界を印加することによって、一方の
安定な分極状態からもう一方の分極状態への分極反転が
行われることである。この特性のために強誘電性材料は
メモリデバイスへの適用に適している。メモリに適用す
るための強誘電性薄膜の所望の性質は、分極値が高いこ
と、飽和分極(Ps)と残留分極(Pr)との差が小さい
こと、抗電界(Ec)が小さいこと、及び最も重要なの
は、多数回の反転の繰り返しに耐え得る高い耐久性であ
る。加えて、有用であるためには、メモリアレイに用い
られる強誘電性材料は、高い保持率とインプリント特性
を有していなければならない。この膜は、集積回路(I
C)の表面全体にわたって、非常に均一な組成と厚さと
を有していなければならない。それによって、各メモリ
セルに関連するキャパシタンスが同等になる。また、強
誘電性薄膜の形成に必要なプロセスにおいて、薄膜の下
に設置されている回路に有害な影響があってはならな
い。
BACKGROUND OF THE INVENTION Ferroelectric thin films have received considerable attention because they can be applied to nonvolatile random access memory (NVRAM) and dynamic random access memory (DRAM) devices (JFScott et al., "
Ferroelectric Memories ", Science, 1989. The basic properties of ferroelectric materials are that they can maintain two stable remanent polarization (± P r ) values even when the electric field is zero, that is, they are non-volatile, Is applied to cause polarization reversal from one stable polarization state to another polarization state, which makes the ferroelectric material suitable for application to a memory device. Desirable properties of the ferroelectric thin film to be applied to the present invention are that the polarization value is high, the difference between the saturation polarization (P s ) and the remanent polarization (P r ) is small, and the coercive electric field (E c ) is small. And most importantly, high durability to withstand multiple inversions.In addition, to be useful, ferroelectric materials used in memory arrays require high retention and imprint properties. Must have This film integrated circuit (I
It must have a very uniform composition and thickness over the entire surface of C). Thereby, the capacitance associated with each memory cell becomes equal. Also, the processes required to form the ferroelectric thin film must not have a detrimental effect on the circuits located below the thin film.

【0003】多数の材料が強誘電性を示すが、2つの材
料系、すなわちペロブスカイト(例えばPbZr1-xTixO3
と層状ペロブスカイト(例えばSrBi2Ta2O9とSrBi2Nb
2O9)とは、メモリへの適用のための研究が広く行われ
てきた。メモリに適用する際に重要なパラメータは、分
極の反転、疲労、分極の残留、インプリント及び漏れ電
流特性である。
Many materials exhibit ferroelectricity, but two material systems, namely perovskites (eg, PbZr 1-x Ti x O 3 )
And layered perovskites (eg SrBi 2 Ta 2 O 9 and SrBi 2 Nb
2 O 9 ) and research on its application to memory has been widely conducted. Important parameters for application to memory are polarization reversal, fatigue, polarization retention, imprint and leakage current characteristics.

【0004】商業的に実施し得る、PZTをベースとす
る不揮発性FRAMの技術の実現は、PZT強誘電性キ
ャパシタの信頼性の問題、あるいは強誘電性キャパシタ
層の成長と処理に関連した課題のうちの1つ、またはそ
れらの課題の組み合わせによって、妨げられてきた。P
tのような金属電極上に成長したPZT膜は、高い疲
労、すなわちスイッチングサイクルに伴う分極の低下を
示す。分極疲労に関する課題は、実用上の目的のため
に、金属Pt電極の代わりに、例えばRuO2のような金属
酸化物電極か、La0.5Sr0.5CoO9のような任意のペロブス
カイト金属酸化物電極か、あるいはハイブリッド金属酸
化物電極を用いることによってのみ、解決することがで
きる。鉛ベースの強誘電性材料について広く研究されて
きたが、疲労、環境上の安全及び健康上の不安における
問題点があるため、最近になって、層状ペロブスカイト
系に属するSrBi2Ta2O9(SBT)に対する関心が高まっ
てきた。層状ペロブスカイト材料は疲労、保持及び電気
的特性に優れているため、魅力的である。SBTは、そ
の低い漏れ電流、良好な疲労特性及び保持特性のため、
メモリへの適用に有望な材料である。SBT材料を用い
る際に、主に制限されることは、高密度CMOSデバイ
スに直接集積することを非常に困難にしている、高い処
理温度(800−850℃)、比較的低い残留分極Pr及び低
いキュリー温度が求められることである。PZTおよび
SBTベースのキャパシタを比較(利点と欠点)して、
主な点を以下に示す。
The realization of commercially feasible, non-volatile FRAM technology based on PZT is an issue of the reliability of PZT ferroelectric capacitors, or the problems associated with the growth and processing of ferroelectric capacitor layers. It has been hampered by one of them, or a combination of those challenges. P
PZT films grown on metal electrodes such as t show high fatigue, ie, a decrease in polarization with switching cycles. The problem with polarization fatigue is that, for practical purposes, instead of a metal Pt electrode, a metal oxide electrode such as RuO 2 or any perovskite metal oxide electrode such as La 0.5 Sr 0.5 CoO 9 Or only by using a hybrid metal oxide electrode. Although lead-based ferroelectric materials have been widely studied, due to problems in fatigue, environmental safety and health concerns, recently, SrBi 2 Ta 2 O 9 (a member of the layered perovskite system) Interest in SBT) has grown. Layered perovskite materials are attractive because of their excellent fatigue, retention, and electrical properties. SBT has low leakage current, good fatigue and retention properties,
It is a promising material for memory applications. The main limitations in using SBT materials are the high processing temperatures (800-850 ° C.), the relatively low remanent polarization Pr and the low remanent polarization that make it very difficult to integrate directly into high density CMOS devices. Curie temperature is required. By comparing PZT and SBT based capacitors (advantages and disadvantages)
The main points are shown below.

【0005】・PZTベースのキャパシタは、これまで
に開発された多結晶SBTベースのキャパシタ(〜20μ
C/cm2)より大きな分極(40-50μC/cm2)を持つ。
The PZT-based capacitor is a polycrystalline SBT-based capacitor (up to 20 μm) which has been developed so far.
C / cm 2) with a larger polarization (40-50μC / cm 2).

【0006】・純粋なペロブスカイト構造と良好な電気
的性質とを持つPZT層は、一般的に、特定の膜堆積技
術に依存するSBT層の形成温度(750-850℃)より低
い温度(600-700℃)で形成することができる。
A PZT layer having a pure perovskite structure and good electrical properties generally has a temperature (600-850 ° C.) lower than the formation temperature (750-850 ° C.) of the SBT layer depending on the specific film deposition technique. 700 ° C).

【0007】・PZTベースのキャパシタは、無視でき
る程度の疲労とインプリントという、FRAMの2つの
重要な電気的性質を得るために、酸化物電極またはハイ
ブリッドな金属酸化物電極技術を必要とする。これらの
電極の合成は、Ptのような純金属電極の合成よりも複
雑である。
PZT-based capacitors require oxide or hybrid metal oxide electrode technology to achieve the two important electrical properties of FRAM, negligible fatigue and imprint. The synthesis of these electrodes is more complicated than the synthesis of pure metal electrodes such as Pt.

【0008】・PZTベースのキャパシタは、Pbを含
有している。Pbは、その製造工程で汚染問題と有害問
題を生じさせている。
[0008] The PZT-based capacitor contains Pb. Pb has caused pollution problems and harmful problems in the manufacturing process.

【0009】・SBTベースのキャパシタは、よりシン
プルなPt電極技術を用いて、無視できる疲労とインプ
リントを示す。
[0009] SBT-based capacitors exhibit negligible fatigue and imprint using simpler Pt electrode technology.

【0010】・SBT層は、非常に薄い(<100nm)場
合でさえ、良好な電気的性質を有する。
The SBT layer has good electrical properties, even when very thin (<100 nm).

【0011】実用的な高密度メモリデバイスを実現する
ために克服すべき主な問題点を以下に述べる。
The main problems to be overcome to realize a practical high-density memory device are described below.

【0012】・SBTベースのキャパシタはPZTベー
スのキャパシタより低い分極を持つ。これらのメモリに
必要なサブミクロンの大きさにキャパシタを設計する場
合、本質的な高い分極値が不可欠であり得る。これは、
SBTを高密度メモリに適用する上での課題となり得
る。
SBT-based capacitors have a lower polarization than PZT-based capacitors. When designing capacitors to the submicron dimensions required for these memories, intrinsically high polarization values may be essential. this is,
This can be a problem in applying SBT to a high-density memory.

【0013】・適切な層状ペロブスカイト構造を持つS
BTの合成は、膜堆積技術に依存した高温(800-850
℃)を必要とする。この処理温度は、標準的な半導体デ
バイスの処理温度に対して高く、そのため、温度を下げ
るための努力が要求される。
S having an appropriate layered perovskite structure
BT synthesis depends on the high temperature (800-850) depending on the film deposition technology.
° C). This processing temperature is higher than the processing temperature of standard semiconductor devices, so that efforts to reduce the temperature are required.

【0014】・SBTのキュリー温度は低い(〜310
℃)。強誘電特性はキュリー温度に強く依存するため、
メモリへの適用のためには、より高いキュリー温度が要
求される。操作温度がキュリー温度に近づくと、強誘電
分極は急速に減少する。よって、安定な一定の分極を保
持するために、キュリー温度は、操作温度範囲よりもか
なり高温であることが必要である。
The Curie temperature of SBT is low (~ 310
° C). Since ferroelectric properties strongly depend on Curie temperature,
Higher Curie temperatures are required for memory applications. As the operating temperature approaches the Curie temperature, the ferroelectric polarization decreases rapidly. Thus, to maintain a stable and constant polarization, the Curie temperature needs to be significantly higher than the operating temperature range.

【0015】[0015]

【発明が解決しようとする課題】E.C.Subbaraoによる論
文 "A Family of Ferroelectric Bismuth Compounds"
(J. Phys. Chem. Solids, Vol. 23, pp. 665-676(196
2))は、SrBi2N62O9-Bi3TiN6O9組成を持つ材料について
記載されている。上記の論文は、バルク材料について記
載されており、性質や応用は記載されていない。また、
上記論文は、本明細書に以下に記載するような膜形成方
法による化合物について、記載または示唆していない。
米国特許No.5,423,285(Araujo et al.,1993)は、層状ペ
ロブスカイト材料の製造における、ある局面を記載して
いる。しかし、本明細書で以下に記載するような、固溶
体の生成または利用については、記載または示唆してい
ない。Araujo et al.に記載される化合物は、750℃のア
ニーリング温度において、本発明の化合物より低い強誘
電特性を有する。その上、本発明は、650℃以下のアニ
ーリング温度において、比較的高い強誘電特性を提供す
る。加えて、本発明の形成方法によれば、(約35℃より
低いような)周囲温度で前駆溶液を調製することができ
る。このこと自体、上記先行技術からのめざましい進歩
である。なぜなら、先願特許の出願人に公知の、対応す
る製造方法(Araujo et al.のような)では、70℃を超
えるような上昇した温度で前駆溶液を加熱する必要があ
るからである。
[Problem to be Solved by the Invention] Paper "A Family of Ferroelectric Bismuth Compounds" by ECSubbarao
(J. Phys. Chem. Solids, Vol. 23, pp. 665-676 (196
2)) describes a material having a composition of SrBi 2 N 62 O 9 —Bi 3 TiN 6 O 9 . The above article describes bulk materials and does not describe properties or applications. Also,
The article does not describe or suggest a compound by a film-forming method as described herein below.
U.S. Patent No. 5,423,285 (Araujo et al., 1993) describes certain aspects in the production of layered perovskite materials. However, it does not describe or suggest the formation or utilization of a solid solution, as described herein below. The compounds described in Araujo et al. Have lower ferroelectric properties at 750 ° C. annealing temperature than the compounds of the present invention. Moreover, the present invention provides relatively high ferroelectric properties at annealing temperatures below 650 ° C. In addition, according to the forming method of the present invention, a precursor solution can be prepared at an ambient temperature (such as lower than about 35 ° C.). This is itself a remarkable advance from the prior art. This is because the corresponding manufacturing methods known to the applicant of the prior patent (such as Araujo et al.) Require that the precursor solution be heated at an elevated temperature, such as above 70 ° C.

【0016】強誘電性薄膜の最終的な優良性は、その材
料の内因的な特性、処理技術、アニーリング処理、及び
基板や電極のような外因的なファクターに依存する。S
BTは現在最も有望な材料である。しかし、SBTベー
スのキャパシタに関する技術において、高い処理温度、
低い残留分極及び低いキュリー温度という課題を克服し
なければならない。
The ultimate quality of a ferroelectric thin film depends on the intrinsic properties of the material, processing techniques, annealing, and extrinsic factors such as substrates and electrodes. S
BT is currently the most promising material. However, in the technology related to SBT-based capacitors, high processing temperatures,
The challenges of low remanent polarization and low Curie temperature must be overcome.

【0017】本発明は上記課題を解決するためになされ
たものであり、その目的とするところは、低い処理温度
で高い残留分極および高いキュリー温度を有する薄膜を
形成する方法を提供することにある。
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for forming a thin film having a high remanent polarization and a high Curie temperature at a low processing temperature. .

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】本発明の層状ペロブスカ
イト膜形成方法は、2−エチルヘキサン酸ビスマスを第
1の溶媒に溶解させて第1の溶液を調製する工程と、酢
酸ストロンチウムを第2の溶媒に溶解させて第2の溶液
を調製する工程と、タンタルエトキシドを第3の溶媒に
溶解させて第3の溶液を調製する工程と、各工程で調製
された溶液を混合させて1つの均質な溶液を調製する工
程と、該均質な溶液を基板上に堆積して、該基板上に膜
を形成する工程を包含しており、これらの工程が外界室
温で行われることにより、上記目的が達成される。
The method for forming a layered perovskite film according to the present invention comprises the steps of dissolving bismuth 2-ethylhexanoate in a first solvent to prepare a first solution; and forming strontium acetate in a second solution. A step of preparing a second solution by dissolving in a solvent, a step of preparing a third solution by dissolving tantalum ethoxide in a third solvent, and mixing the solutions prepared in each step to form one solution. A step of preparing a homogeneous solution, and a step of depositing the homogeneous solution on a substrate to form a film on the substrate. Is achieved.

【0019】なお、600℃から750℃の間の温度
で、前記基板と前記薄膜とをアニーリングする工程をさ
らに包含することが好ましい。さらに、前記第1の溶媒
が2−エチルヘキサン酸であり、前記第2の溶媒が酢酸
であり、前記第3の溶媒が2−メトキシエタノールであ
ってもよい。また、約30%の過剰ビスマスを加えてもよ
い。さらに、上部電極と下部電極とを、該2つの電極が
前記膜を挟み込むことにより、キャパシタ構造を形成す
るように形成する工程を包含していてもよい。
Preferably, the method further includes a step of annealing the substrate and the thin film at a temperature between 600 ° C. and 750 ° C. Further, the first solvent may be 2-ethylhexanoic acid, the second solvent may be acetic acid, and the third solvent may be 2-methoxyethanol. Also, about 30% excess bismuth may be added. Further, the method may include a step of forming an upper electrode and a lower electrode such that the two electrodes sandwich the film to form a capacitor structure.

【0020】本発明の層状ペロブスカイト膜の形成方法
は、2−エチルヘキサン酸ビスマスを第1の溶媒に溶解
させて第1の溶液を調製する工程と、酢酸ストロンチウ
ムを第2の溶媒に溶解させて第2の溶液を調製する工程
と、チタン酸イソプロピルとタンタルエトキシドとを第
3の溶媒に溶解させて第3の溶液を調製する工程と、各
工程で調製された溶液を混合させて1つの均質な溶液を
調製する工程と、該均質な溶液を基板上に堆積して、該
基板上に(1-x)SrBi2Ta2O9-xBi3TiTaO9膜を形成する工程
とを含包しており、これらの工程が外界室温で行われる
ことにより、上記目的が達成される。
The method for forming a layered perovskite film according to the present invention comprises the steps of dissolving bismuth 2-ethylhexanoate in a first solvent to prepare a first solution, and dissolving strontium acetate in a second solvent. A step of preparing a second solution, a step of dissolving isopropyl titanate and tantalum ethoxide in a third solvent to prepare a third solution, and mixing the solutions prepared in each step to form one Including a step of preparing a homogeneous solution and a step of depositing the homogeneous solution on a substrate to form a (1-x) SrBi 2 Ta 2 O 9 -xBi 3 TiTaO 9 film on the substrate The above object is achieved by performing these steps at ambient room temperature.

【0021】なお、600℃から750℃の間の温度
で、前記基板と前記薄膜とをアニーリングする工程をさ
らに包含することが好ましい。さらに、前記第1の溶媒
が2−エチルヘキサン酸であり、前記第2の溶媒が酢酸
であり、前記第3の溶媒が2−メトキシエタノールであ
ってもよい。また、上部電極と下部電極とを形成する工
程であって、該2つの電極が前記膜を挟み込むことによ
り、キャパシタ構造を形成する工程をさらに包含してい
てもよい。
Preferably, the method further includes a step of annealing the substrate and the thin film at a temperature between 600 ° C. and 750 ° C. Further, the first solvent may be 2-ethylhexanoic acid, the second solvent may be acetic acid, and the third solvent may be 2-methoxyethanol. Further, the step of forming an upper electrode and a lower electrode may further include a step of forming a capacitor structure by sandwiching the film between the two electrodes.

【0022】本発明の層状ペロブスカイト膜形成方法
は、2−エチルヘキサン酸ビスマスを第1の溶媒に溶解
させて第1の溶液を調製する工程と、酢酸ストロンチウ
ムを第2の溶媒に溶解させて第2の溶液を調製する工程
と、チタン酸イソプロピルとタンタルエトキシドとニオ
ビウムエトキシドとを第3の溶媒に溶解させて第3の溶
液を調製する工程と、各工程で調製された溶液を混合さ
せて1つの均質な溶液を調製する工程と、該均質な溶液
を基板上に堆積して、該基板上に(1-x)SrBi2Ta2O9-xBi3
TiNbO9膜を形成する工程とを包含しており、これらの工
程が外界室温で行われることにより、上記目的が達成さ
れる。
The method for forming a layered perovskite film of the present invention comprises the steps of dissolving bismuth 2-ethylhexanoate in a first solvent to prepare a first solution, and dissolving strontium acetate in a second solvent. Preparing a third solution by dissolving isopropyl titanate, tantalum ethoxide, and niobium ethoxide in a third solvent; and mixing the solutions prepared in each step. Preparing a homogenous solution by heating and depositing the homogenous solution on a substrate, and depositing (1-x) SrBi 2 Ta 2 O 9 -xBi 3 on the substrate.
And a step of forming a TiNbO 9 film. The above object is achieved by performing these steps at an ambient room temperature.

【0023】なお、600℃から750℃の間のある温
度で、前記基板と前記薄膜とをアニーリングする工程を
包含することが好ましい。さらに、前記第1の溶媒が2
−エチルヘキサン酸であり、前記第2の溶媒が酢酸であ
り、前記第3の溶媒が2−メトキシエタノールであって
もよい。また、上部電極と下部電極とを形成する工程で
あって、該2つの電極が前記膜を挟み込むことにより、
キャパシタ構造を形成する工程を包含していてもよい。
It is preferable that the method further includes a step of annealing the substrate and the thin film at a certain temperature between 600 ° C. and 750 ° C. Further, the first solvent is 2
-Ethylhexanoic acid, the second solvent may be acetic acid, and the third solvent may be 2-methoxyethanol. Also, in the step of forming an upper electrode and a lower electrode, the two electrodes sandwich the film,
A step of forming a capacitor structure may be included.

【0024】以下に作用を説明する。本発明によって、
アルコキシド塩前駆溶液を用いることにより、室温での
前駆溶液の混合が可能となり、また、完成したデバイス
のより低い温度での処理が可能となる。さらに、SB
T、(1-x)SrBi2Ta2O9-xBi3TiTaO9及び(1-x)SrBi2Ta2O9-
xBi3TiNbO9の室温での作製が可能となる。
The operation will be described below. According to the present invention,
The use of an alkoxide salt precursor solution allows for mixing of the precursor solution at room temperature and allows for processing of the finished device at lower temperatures. Furthermore, SB
T, (1-x) SrBi 2 Ta 2 O 9 -xBi 3 TiTaO 9 and (1-x) SrBi 2 Ta 2 O 9 -
xBi 3 TiNbO 9 can be produced at room temperature.

【0025】[0025]

【発明の実施の形態】提案された新しい固溶体材料の選
定におけるアプローチと考察および過程と、SBTベー
スのキャパシタの技術に関する問題点を克服するために
改変された化学的調製手法について、以下に述べる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The approaches, considerations and processes in the selection of a proposed new solid solution material, and a modified chemical preparation technique to overcome the problems with SBT-based capacitor technology, are described below.

【0026】・SBT層が適切な層状ペロブスカイト構
造を有するためには、膜堆積技術に依存した高い温度
(800ー850℃)が必要である。それより低い温度では、膜
の微細構造及び強誘電特性は良好ではない。この現象
は、SBT材料の分極方向に関連するSBT層の多結晶
の性質に因って起こり得る。これらのメモリに必要なサ
ブミクロンの大きさにキャパシタを設計する場合、本質
的な高い分極値が不可欠であり得る。これらの課題の解
決に固溶体材料を用いるというアイデアは、バルクセラ
ミックアプローチに基づいている。バルクセラミックア
プローチでは、微細構造及びキュリー温度特性は異なる
が、構造は似ている異なる材料の固溶体を作製すること
によって、材料特性の改変を行う(上記E.C.Subbarao参
照)。SBTのキュリー温度は310℃であるが、これに
対して、Bi3TiTa1-yNbyO9は870-950℃の範囲内のキュリ
ー温度を有する。これらの材料はどちらも層状ペロブス
カイト系に属する。よって、これら2つの材料の固溶体
が、より高いキュリー温度を示すと考えられる。
In order for the SBT layer to have an appropriate layered perovskite structure, a high temperature (800-850 ° C.) depending on the film deposition technique is required. At lower temperatures, the microstructure and ferroelectric properties of the film are not good. This phenomenon can occur due to the polycrystalline nature of the SBT layer related to the polarization direction of the SBT material. When designing capacitors to the submicron dimensions required for these memories, intrinsically high polarization values may be essential. The idea of using solid solution materials to solve these issues is based on a bulk ceramic approach. The bulk ceramic approach modifies material properties by creating solid solutions of different materials that have different microstructures and Curie temperature properties, but similar structures (see ECSubbarao, supra). The Curie temperature of SBT is 310 ° C., whereas Bi 3 TiTa 1-y Nby y O 9 has a Curie temperature in the range of 870-950 ° C. Both of these materials belong to the layered perovskite system. Thus, it is believed that a solid solution of these two materials exhibits a higher Curie temperature.

【0027】・Bi3TiNbO9材料の飽和分極値(Ps)は2
7.7μC/cm2と報告されているが、これに対し、バルクS
BT材料の飽和分極値(Ps)は5.8μC/cm2と報告され
ている。よって、これら2つの材料の固溶体が、SBT
と比較して、より高い分極値を示すと考えられる。
The saturation polarization value (Ps) of the Bi 3 TiNbO 9 material is 2
7.7 μC / cm 2 , whereas bulk S
The saturation polarization value (Ps) of the BT material is reported to be 5.8 μC / cm 2 . Therefore, the solid solution of these two materials is SBT
It is considered to show a higher polarization value as compared with.

【0028】より低いアニーリング温度において強誘電
特性は不良好なので、堆積後のアニーリングの温度を下
げることができない。この問題は、材料の内因的な性質
によるものであり、より低いアニーリング温度では粒子
のサイズが小さいことに起因する。Bi3TiTa1-yNbyO9
料は、同様のアニーリング条件下で、SBTと比較し
て、かなり大きな粒子構造を示す。よって、これらの2
つの材料の固溶体は、より低いアニーリング温度で、S
BTと比較して、より大きな粒子サイズが形成されると
考えられる。それ故、この固溶体は処理温度を低下させ
るという課題を解決するものである。
At lower annealing temperatures, the ferroelectric properties are poor, so the post-deposition annealing temperature cannot be lowered. This problem is due to the intrinsic nature of the material, which is due to the smaller particle size at lower annealing temperatures. The Bi 3 TiTa 1-y Nby y O 9 material shows a significantly larger particle structure compared to SBT under similar annealing conditions. Therefore, these two
The solid solution of the two materials, at lower annealing temperatures,
It is believed that a larger particle size is formed as compared to BT. Therefore, this solid solution solves the problem of lowering the processing temperature.

【0029】同様のアイデアを、他の固溶体材料の作製
にも適用することができる。層状ペロブスカイト材料の
固溶体は、以下の3つの一般的なタイプに分類され得る
材料間で、作製することが可能である(G.A.Smolenskii
et al.,"Ferroelectrics and related materials", Go
rdon and Breach Science Publishers, New York, 1984
参照): 1.化学式Am-1Bi2MmO3m+3で表される化合物。ここでA=
Bi3+,Ba2+,Sr2+,Ca2+,Pb2+,K+,Na+及び同程度のサイズ
の他のイオン、M=Ti4+,Nb5+,Ta5+,Mo6+,W6+,Fe3+及び8
面体の酸素位を占有できる他のイオンである。これは、
Bi4Ti3O12およびSrBi2Ta2O9のような化合物を含む。
Similar ideas can be applied to the preparation of other solid solution materials. Solid solutions of layered perovskite materials can be made between materials that can be classified into three general types (GASmolenskii):
et al., "Ferroelectrics and related materials", Go
rdon and Breach Science Publishers, New York, 1984
Reference): 1. A compound represented by the chemical formula A m-1 Bi 2 M m O 3m + 3 . Where A =
Bi 3+ , Ba 2+ , Sr 2+ , Ca 2+ , Pb 2+ , K + , Na + and other ions of similar size, M = Ti 4+ , Nb 5+ , Ta 5+ , Mo 6+ , W 6+ , Fe 3+ and 8
Other ions that can occupy the oxygen level of the facepiece. this is,
Include compounds such as the Bi 4 Ti 3 O 12 and SrBi 2 Ta 2 O 9.

【0030】2.化学式Am+1MmO3m+1で表される化合
物。これは、チタン酸ストロンチウムであるSr2TiO4,S
r3Ti2O7およびSr4Ti3O10のような化合物を含む。
2. A compound represented by the chemical formula A m + 1 M m O 3m + 1 . This is because strontium titanate Sr 2 TiO 4 , S
include compounds such as r 3 Ti 2 O 7 and Sr 4 Ti 3 O 10.

【0031】3.化学式AmMmO3m+2で表される化合物。
これは、Sr2Nb2O7およびLa2Ti2O7のような化合物を含
む。
3. A compound represented by the chemical formula A m M m O 3m + 2 .
This includes compounds such as Sr 2 Nb 2 O 7 and La 2 Ti 2 O 7 .

【0032】これらの層状ペロブスカイト材料は、自発
的に層状ペロブスカイト構造を形成する金属酸化物錯体
(complex oside of metals)(この金属はストロンチウ
ム、カルシウム、バリウム、ビスマス、カドミウム、
鉛、チタン、タンタル、ハフニウム、タングステン、ニ
オブ、ジルコニウム、スカンジウム、イットリウム、ラ
ンタン、アンチモン、クロム及びタリウムなどである)
を含んでいる。一般に、それぞれの層状ペロブスカイト
材料は、上記の金属を2つ以上含有している。その材料
が、鉛、ビスマス、タリウム、及び/またはアンチモン
のような、処理中に蒸発か、さもなければ消失する元素
を含んでいる場合、1-100%の範囲で含量を過剰にし
て、最適な特性を得ることができる。また、多様な電子
素子の用途に合わせて特性を改変するために、これらの
固溶体材料をドープすることも可能である。本発明は、
パイロクロアを含まない結晶膜を低いアニーリング温度
で形成するための、シンプルな室温化学的前駆溶液調製
技術を提供する。低いアニーリング温度であっても、パ
イロクロアを含まない結晶相を形成する、カルボキシレ
ートとアルコキシドを併用した化学的前駆溶液手法が開
発された。プロセスの主な特徴は、室温での調製、短い
調製時間、前駆物質の入手の容易さ、安定性、半導体製
造技術との適合性である。長時間にわたる製造プロセス
は、設備と労働力の点でコストがより高くなるので、短
時間でのプロセスが望ましい。このプロセスは、ペロブ
スカイト、パイロクロア、層状ペロブスカイト、または
タングステン青銅材料と、これらの固溶体の製造に適用
可能である。また、同じアプローチが、これらの材料の
ドーピングに対しても有用である。
These layered perovskite materials are metal oxide complexes which spontaneously form a layered perovskite structure.
(complex oside of metals) (This metal is strontium, calcium, barium, bismuth, cadmium,
Lead, titanium, tantalum, hafnium, tungsten, niobium, zirconium, scandium, yttrium, lanthanum, antimony, chromium and thallium.
Contains. Generally, each layered perovskite material contains more than one of the above metals. If the material contains elements that evaporate or otherwise disappear during processing, such as lead, bismuth, thallium, and / or antimony, excess content in the range of 1-100% should be optimized. Characteristics can be obtained. It is also possible to dope these solid solution materials in order to modify the characteristics according to the use of various electronic devices. The present invention
A simple room temperature chemical precursor solution preparation technique for forming a pyrochlore-free crystal film at a low annealing temperature is provided. A chemical precursor solution approach using a combination of carboxylate and alkoxide has been developed that forms a pyrochlore-free crystalline phase even at low annealing temperatures. The main features of the process are its preparation at room temperature, short preparation time, availability of precursors, stability and compatibility with semiconductor manufacturing technology. Longer manufacturing processes are more costly in terms of equipment and labor, so shorter processes are desirable. This process is applicable to the production of perovskites, pyrochlores, layered perovskites, or tungsten bronze materials and their solid solutions. The same approach is also useful for doping these materials.

【0033】このプロセスはシンプルで、かつ、従来の
集積回路材料およびプロセスに適合する。このプロセス
では、まず、所望の薄膜化合物のそれぞれの金属を含
む、前駆溶液を調製する。酸化物薄膜形成のための前駆
溶液の調製方法には、(1)アルコキシドのみによる方
法、(2)アルコキシド塩による方法、(3)その他の方法、
の3つの一般的な方法がある。これらの技術により、加
水分解および前駆物質の分子の縮合を経て、酸化物の網
状構造が形成される。この化学反応は、加水分解速度、
触媒作用、前駆物質の分子構造などの要素により制御さ
れる。後者においては、有機酸(β-ジケトンまたは近
縁誘導体(allied derivatives))のような金属の配位シ
ェルを調整する求核性の化学添加剤をオリゴマー形成さ
せるか、溶媒和させるか、または添加することにより、
簡単に改変可能である。前駆物質の化合物及びその溶媒
の選定は、薄膜形成のための前駆溶液を用いるアプロー
チにおいて、最も重要な工程である。考慮すべき最も重
要なポイントは、初期物質の種類の性質、混合金属種(m
ixed-metal species)が形成されるかどうか、要求され
る化学式に関して溶液中の多様な元素の化学量数が適切
かどうか、溶媒の作用、反応温度とそれが分子レベルで
均質性に及ぼす影響、堆積された薄膜からの有機物質の
除去、及び結晶化温度である。アルコキシドのみによる
方法では、第一の工程として、所望の化合物のそれぞれ
の元素を含むアルコキシドを選定し、必要な金属陽イオ
ンを含む1つの溶液を合成する。一般的には、その溶液
はアルコール溶媒に溶解した金属アルコキシド[M(OR)x]
からなる。アルコキシド溶液に水を加えると、加水分解
が起こり、続いて、縮合反応、網状構造の形成が起こ
り、最終的に重合体のゲルが連続した構造となる。多種
のアルコキシドが合成され、薄膜形成に用いられてきた
が、金属アルコキシドの中には溶解度の低いもの、調製
が困難なもの、経時的に安定ではないものもある。大部
分の金属アルコキシドは、加水分解および縮合関して敏
感に反応する。多成分性の溶液に対してアルコキシドを
排他的に用いることは、時には不可能であり、代替の前
駆物質を必要とする。大部分の改良されたセラミック
は、格子に2種類以上の陽イオンを有する多成分性の材
料である。アルコキシド前駆物質は溶液に分子レベルで
混合されるため、高い均質性が要求される。しかし、均
質な多成分性溶液の調製における主な課題は、それぞれ
の金属アルコキシドの加水分解と縮合の速度が異なるこ
とである。この結果、加水分解中または熱処理中に相分
離が起きる可能性がある。相分離は結晶化温度を上昇さ
せ、所望でない結晶相を生成する。それゆえ、溶液中で
異なるタイプの陽イオンがM−O−M’ブリッジ間を原
子スケールで均質に分布する、均質性の高い溶液を調製
する必要がある。よって、ゲル化より前に、まず、多様
なアルコキシド前駆物質間で結合が起きるように、初期
溶液を処理しなければならない。アルコキシドのみによ
る方法におけるアプローチの困難な点は、特に可溶性の
アルコキシドに関するものだが、混合金属種(mixed-me
tal species)が形成されたかどうか、及び金属間の化
学量数を判別することである。他の金属アルコキシド存
在下での金属アルコキシドの溶解性は、必ずしも混合さ
れた金属種の形成、つまりは分子レベルでの均質性を意
味しないため、扱いに注意を要する判断基準である。例
えば、均質な溶液の調製にも関わらず、ビスマス2−メ
トキシエトキシドとチタン2−メトキシエトキシドとで
は、何の反応も起こらない(IRおよび 1HNMR検証)。ビ
スマスを1元素として含む化合物においては、ビスマス
アルコキシドの反応性の欠如のため、前駆物質の選定が
問題となる。ビスマスアルコキシド,Bi(OR)3R=Et,iP
r,はニオブ、タンタル、チタンおよび鉛を含む様々な
金属アルコキシドに対して反応を示さないことが知られ
ている。
This process is simple and compatible with conventional integrated circuit materials and processes. In this process, first, a precursor solution is prepared containing the respective metals of the desired thin film compound. The method for preparing a precursor solution for forming an oxide thin film includes (1) a method using only an alkoxide, (2) a method using an alkoxide salt, (3) other methods,
There are three general methods. These techniques form an oxide network through hydrolysis and condensation of precursor molecules. This chemical reaction is based on the rate of hydrolysis,
Controlled by factors such as catalysis and the molecular structure of the precursor. In the latter, nucleophilic chemical additives that modulate the coordination shell of the metal, such as organic acids (β-diketones or allied derivatives), are oligomerized, solvated or added. By doing
It can be easily modified. The selection of the precursor compound and its solvent is the most important step in the approach using a precursor solution for forming a thin film. The most important points to consider are the nature of the initial material type, the mixed metal type (m
ixed-metal species), whether the stoichiometry of the various elements in solution is appropriate for the required chemical formula, the action of the solvent, the reaction temperature and its effect on homogeneity at the molecular level, Removal of organic substances from the deposited thin film and crystallization temperature. In the method using only an alkoxide, as a first step, an alkoxide containing each element of a desired compound is selected, and one solution containing a necessary metal cation is synthesized. Generally, the solution is a metal alkoxide [M (OR) x ] dissolved in an alcohol solvent.
Consists of When water is added to the alkoxide solution, hydrolysis occurs, followed by condensation reaction and formation of a network structure, and finally, the polymer gel has a continuous structure. Many types of alkoxides have been synthesized and used for thin film formation, but some metal alkoxides have low solubility, are difficult to prepare, and are not stable over time. Most metal alkoxides are sensitive to hydrolysis and condensation. The exclusive use of alkoxides for multi-component solutions is sometimes not possible and requires alternative precursors. Most improved ceramics are multi-component materials that have more than one type of cation in the lattice. Since the alkoxide precursor is mixed with the solution at the molecular level, high homogeneity is required. However, a major challenge in preparing a homogeneous multi-component solution is that the rates of hydrolysis and condensation of the respective metal alkoxides are different. As a result, phase separation may occur during hydrolysis or heat treatment. Phase separation raises the crystallization temperature and produces unwanted crystalline phases. Therefore, it is necessary to prepare a highly homogenous solution in which different types of cations are homogeneously distributed on the atomic scale between the MOM 'bridges in the solution. Thus, prior to gelation, the initial solution must first be treated so that binding occurs between the various alkoxide precursors. The difficulty with the alkoxide-only approach, especially with respect to soluble alkoxides, is that mixed metal species (mixed-medium
tal species) and determine the stoichiometry between the metals. The solubility of a metal alkoxide in the presence of another metal alkoxide is a criterion that requires careful handling because it does not necessarily mean formation of mixed metal species, that is, homogeneity at the molecular level. For example, despite the preparation of a homogeneous solution, no reaction occurs between bismuth 2-methoxyethoxide and titanium 2-methoxyethoxide (IR and 1 H NMR verification). In a compound containing bismuth as one element, selection of a precursor is problematic due to lack of reactivity of bismuth alkoxide. Bismuth alkoxide, Bi (OR) 3 R = Et, iP
It is known that r, does not react with various metal alkoxides including niobium, tantalum, titanium and lead.

【0034】アルコキシド塩を用いたアプローチによれ
ば、アルコキシドのみによる方法の持つこれらの課題の
多くを克服することができる。記載するプロセスにおけ
る塩という言葉は、基本的に、カルボン酸塩について言
及されているが、これに限らず、硝酸塩、硫酸塩、炭酸
塩、塩化物及び水酸化物も含んでいる。アルコキシドと
カルボン酸塩は、金属−酸素−炭素結合を有する金属の
有機誘導体のグループに位置付けられる。所望の化合物
のいくつかの元素に対して、アルコキシドの代わりに塩
を前駆物質として選定できるため、アルコキシド塩を用
いたアプローチによれば、アルコキシドのみを用いたア
プローチの持つ課題の多くを克服することができる。大
部分の金属にとって、中程度の長さの配位子を持つ金属
カルボキシラートが、好ましい前駆物質化合物である。
カルボキシラート陰イオン(一般的な化学式RCOO-)は
可変性の配位子であり、(1)単に対陰イオンとして存在
する、または(2)金属を(a)単座、(b)キレート化または
(c)橋かけ方式によって結合させる、ことが可能であ
る。多種多様な利用可能なグループ(例えばRはH、ア
ルキル、アリル、ペルフルオロアルキル等であり得る)
は、カルボン酸塩の配位子の可変性を大きく強化する。
金属カルボキシラートは、金属間の結合を形成する重要
な特徴を持つ。金属アセテートまたは2−エチルヘキサ
ン酸前駆物質は大部分の金属に作用する。それらは活性
金属酸化物源として作用し、金属アルコキシドとの反応
に関与する。二価及び三価の金属の酢酸塩は、金属アル
コキシドに対し高い反応性を示し、しばしば穏やかな条
件下において、容易に混合金属種に取り込まれる。例え
ば、マグネシウム、カドミウム、バリウム、ストロンチ
ウム、及び鉛の酢酸塩は、室温で混合金属種内で分離
し、取り込まれる。溶媒の選定は、アルコキシド塩を用
いるアプローチにおいても重要である。溶媒は多様な影
響を及ぼし得る。溶媒は中間体(intermediates)を生
成および/または安定化し、それによって、反応の準備
または改変を行うことができる。アルコールの存在は、
反応種(reactive spiecies)の形成に役立つ。アルコ
キシド−カルボン酸塩を用いるアプローチの主な利点
は、反応の副産物が、アルコキシドのみを用いるアプロ
ーチでの副産物であるH2Oと比べて比較的非反応性であ
るということである。全てのアルコキシド酢酸塩におい
て、カルボキシレート配位子は橋かけの位置にあり、異
なる金属をつなげている。一般的にアルコキシド酢酸塩
は、特にペアレントアルコールに対し、単なるアルコキ
シドよりも高い可溶性を示す。大部分の金属アルコキシ
ドは加水分解及び縮合に非常に敏感に反応する。沈殿を
避けるため、これらは安定化されなければならない。こ
れらの反応は、分子レベルで金属アルコキシドと反応す
る錯化剤の添加によって制御され、異なる構造、反応性
及び機能性を有する新しい分子による前駆物質が生成さ
れる。酢酸のようなカルボン酸とβ-ジケトン(主にア
セチルアセトン)とは、水酸化された求核性の配位子と
して作用するものであり、前駆物質の機能性を減少させ
ることによる、加水分解速度の制御に役立つ。アルコー
ル及びカルボン酸存在下での、アルコキシドとカルボン
酸塩は、反応して可能な限り小さい凝集を形成する。こ
の凝集により、金属は最も通常の配位数を得ることがで
き、従って、加水分解がより困難になる。カルボン酸塩
はアセンブリングおよびオキソを供給する配位子として
作用するため、凝集体の求核性(nuclearity)を増加さ
せる性質を持ち、一方、ジケトンはキレート配位子であ
るため、オリゴマー形成を減少させる性質を持つ。図1
に、本発明による膜形成方法の一般的な工程を示す。第
一の工程である工程aは、前駆化合物及び溶媒の選定で
ある。前駆溶液を用いた化学的手法による薄膜形成にお
いて、前駆化合物及び溶媒の選定は重要な工程である。
それぞれの金属に対する前駆物質の保存期間は長くなけ
ればならない。選定された前駆物質は選定された溶媒内
で高い可溶性を持たなければならない。また多様な溶媒
は、混合された場合、相性が良いものでなければならな
い。最終的に得られる前駆溶液は比較的長い保存期間を
有するので、前もって多量に調製でき、必要に応じて使
用できる。アルコキシド塩によるアプローチにおける各
々の工程を以下に示す。
According to the approach using an alkoxide salt, many of these problems of the alkoxide-only method can be overcome. The term salt in the processes described basically refers to carboxylate salts, but also includes but is not limited to nitrates, sulfates, carbonates, chlorides and hydroxides. Alkoxides and carboxylate salts fall into the group of organic derivatives of metals having a metal-oxygen-carbon bond. For some elements of the desired compound, salts can be selected as precursors instead of alkoxides, so using the alkoxide salt approach overcomes many of the challenges of the alkoxide-only approach Can be. For most metals, metal carboxylate with a medium length ligand is the preferred precursor compound.
Carboxylate anions (general formula RCOO -) is the variability of the ligand (1) merely exists as a counter anion, or (2) a metal (a) a monodentate, (b) a chelating or
(c) It is possible to combine them by a bridging method. A wide variety of available groups (eg, R can be H, alkyl, allyl, perfluoroalkyl, etc.)
Greatly enhances the variability of carboxylate ligands.
Metal carboxylates have the important feature of forming bonds between metals. Metal acetate or 2-ethylhexanoic acid precursor acts on most metals. They act as active metal oxide sources and participate in reactions with metal alkoxides. Acetates of divalent and trivalent metals are highly reactive towards metal alkoxides and are often easily incorporated into mixed metal species under mild conditions. For example, acetates of magnesium, cadmium, barium, strontium, and lead are separated and incorporated in mixed metal species at room temperature. The choice of solvent is also important in approaches using alkoxide salts. Solvents can have a variety of effects. The solvent forms and / or stabilizes the intermediates, so that the reaction can be prepared or modified. The presence of alcohol
Helps form reactive spiecies. Alkoxides - The main advantage of the approach of using a carboxylate, a by-product of the reaction is that it is relatively unreactive compared with H 2 O, a by-product approach using only alkoxides. In all alkoxide acetates, the carboxylate ligand is in the bridge position and connects the different metals. In general, alkoxide acetates are more soluble than simple alkoxides, especially in parent alcohols. Most metal alkoxides are very sensitive to hydrolysis and condensation. These must be stabilized to avoid settling. These reactions are controlled by the addition of complexing agents that react with metal alkoxides at the molecular level, producing precursors with new molecules having different structures, reactivity and functionality. Carboxylic acids such as acetic acid and β-diketones (primarily acetylacetone) act as hydroxylated nucleophilic ligands, reducing the rate of hydrolysis of precursors by reducing their functionality. Help control. The alkoxide and carboxylate in the presence of the alcohol and carboxylic acid react to form the smallest possible aggregates. This aggregation allows the metal to obtain the most common coordination numbers, thus making hydrolysis more difficult. Carboxylates have the property of increasing the nucleophilicity of aggregates because they act as ligands to supply assembly and oxo, while diketones are chelating ligands, which can lead to oligomerization. Has the property of reducing. FIG.
The general steps of the film forming method according to the present invention are shown below. Step a, which is the first step, is the selection of a precursor compound and a solvent. In forming a thin film by a chemical method using a precursor solution, selection of a precursor compound and a solvent is an important step.
The shelf life of the precursor for each metal must be long. The selected precursor must have high solubility in the selected solvent. Also, various solvents must be compatible when mixed. The resulting precursor solution has a relatively long shelf life, so that it can be prepared in large quantities in advance and used as needed. Each step in the alkoxide salt approach is shown below.

【0035】1.初期前駆物質となる、金属アルコキシ
ドまたはカルボン酸塩の選定。
1. Selection of metal alkoxide or carboxylate as initial precursor.

【0036】前駆物質は、物質中に含まれる、最終的に
薄膜となる金属を持つ配位子を形成する有機物グループ
を比較的小さくしたものでなければならない。これによ
って、蒸発させなければならない有機材料の量を最小と
し、従って、膜内の細孔や他の微細な欠陥のサイズを最
小限にした。また、短鎖の金属カルボキシラートは通常
極性が非常に大きいため、高い水溶性を持つ。従って、
溶液に加水分解水が加えられても分離されない。しか
し、極性が高ければ、キシレンや2-メトキシエタノー
ルのような高い沸点を持つ溶液に不溶である性質も持っ
ている。一方、ネオデカネートや2−エチルヘキサン酸
のような長鎖の金属カルボキシラートはすべて一般的
に、2-メトキシエタノールとキシレンのどちらかに可
溶である。しかしこれらは水に対しては不溶である。こ
のように、実質的な量の金属ネオデカネートまたは金属
2−エチルヘキサネートが存在すれば、加水分解が行わ
れたときに生成される水滴の周囲で、加水分解水とアル
コキシドのゲルとが分離する。その上、長鎖の材料は多
量の有機材料を含むため、優れた膜を形成することがで
きない。よって、中程度の長さ(鎖中の結合されている
炭素数がおおよそ10以下)の配位子を持つ金属カルボ
キシラートが、保存期間の長い前駆溶液の調製および高
品質な薄膜形成により適している。金属カルボキシラー
トが、金属アセテートや金属2-エチルヘキサネートの
ような、中程度の長さの鎖の配位子を持つ金属カルボキ
シラートであることが望ましい。これらは大部分の金属
に適用可能である。代わりに、前駆物質として、硝酸
塩、硫酸鉛、炭酸塩、塩化物および水酸化物を選定する
こともできる。
The precursor must be a relatively small group of organics that form a ligand with a metal that eventually becomes a thin film contained in the material. This minimized the amount of organic material that had to evaporate, thus minimizing the size of pores and other fine defects in the film. In addition, short-chain metal carboxylate usually has very high polarity, and thus has high water solubility. Therefore,
It does not separate when hydrolyzed water is added to the solution. However, it has the property of being insoluble in high-boiling solutions such as xylene and 2-methoxyethanol if the polarity is high. On the other hand, all long-chain metal carboxylates, such as neodecanoate and 2-ethylhexanoic acid, are generally soluble in either 2-methoxyethanol or xylene. However, they are insoluble in water. Thus, if a substantial amount of metal neodecanoate or metal 2-ethylhexanate is present, the hydrolyzed water and the alkoxide gel separate around the water droplets formed when the hydrolysis is performed. . In addition, a long-chain material contains a large amount of organic material, so that an excellent film cannot be formed. Thus, metal carboxylate having a medium length ligand (with about 10 or less carbon atoms attached in the chain) is more suitable for preparing a precursor solution having a long shelf life and forming a high quality thin film. I have. Preferably, the metal carboxylate is a metal carboxylate having a medium chain ligand, such as metal acetate or metal 2-ethylhexanate. These are applicable to most metals. Alternatively, nitrates, lead sulfates, carbonates, chlorides and hydroxides can be selected as precursors.

【0037】2.カルボン酸を金属カルボキシラートの
溶媒として選定することができる。溶媒の沸点が100℃
より高く、100-250℃の範囲内であることが望ましい。
アルコキシド塩前駆溶液に対する好適な溶媒は、アルコ
ール、芳香族炭化水素、ケトン、エステル、エーテルお
よびアルカノールアミンである。1種類の溶媒、または
複数の溶媒を組み合わせて、高品質なコーティングを得
るための溶解度と粘度の最適化に用いることが可能であ
る。
2. A carboxylic acid can be selected as a solvent for the metal carboxylate. Solvent boiling point 100 ℃
Desirably higher, in the range of 100-250 ° C.
Suitable solvents for the alkoxide salt precursor solution are alcohols, aromatic hydrocarbons, ketones, esters, ethers and alkanolamines. One solvent or a combination of multiple solvents can be used to optimize solubility and viscosity to obtain high quality coatings.

【0038】工程bでは、選定された溶媒に各前駆物質
を溶解し、次にこれらの溶液を混合して、最終的に均質
な溶液を得る。工程cでは、最終的に得られた溶液の加
水分解と重縮合を行い、この最終溶液を安定化させる。
これは通常は、カルボン酸、βージケトン、アルコール
分解および/または加水分解によって処理される。工程
dでは前駆溶液を基板に堆積させる。スピン、ディッ
プ、またはスプレー技術を用いて前駆溶液から膜を形成
することができる。アルコール溶液は一般的に、表面に
薄い酸化物層を有する全ての金属基板、酸化物基板、ま
たは半導体基板を浸すことができる。薄膜を支持し、膜
材料と両立し且つ処理に耐え得る、ほとんど全ての基板
を用いることができる。ここでは、薄膜はスピンコーテ
ィング技術によって形成された。スピンコーティング技
術は良く知られた堆積方法であり、前駆物質をウエハ上
に設置し、ウエハを回転させて、ウエハ全面に前駆物質
を均質に分布させる方法である。膜厚を制御するために
は、スピン速度と溶液の粘度を最適化する必要がある。
好ましくは、5秒から120秒間、スピン速度が1000rpmか
ら7000rpmの範囲内でウエハを回転させるとよい。工程
dで基板上に形成された膜は、ウェットな膜である。工
程eでは、有機含有物を除去するために、膜をベーキン
グする。コーティング処理(工程d)後、ウエハはホッ
トプレート上に移され、そこでベーキングされる。代わ
りに、周囲条件の制御が望まれる場合には、オーブンを
用いてベーキングを行っても良い。好ましくは、ベーキ
ングは1−15分の間の時間、温度範囲150−350℃で行
う。乾燥工程を、コーティングとベーキングの工程の間
に任意に設定しても良い。好ましくは、乾燥は温度範囲
150−200℃で行う。1回のコーティングで所望の膜厚が
得られなければ、所望の膜厚が得られるまで、スピン、
乾燥及びベーキングの工程、すなわち工程dとeを繰り
返して行う。工程fでは、最終層がコーティングおよび
ベーキングされた後、拡散炉または高速サーマルアニー
リングシステム内で膜のアニーリングを行う。アニーリ
ングは、好ましくは、様々な流量の酸素雰囲気中で様々
な時間、様々な温度で行う。基板の種類と処理方法に依
存して、異なる形態を有する結晶膜を得ることができ
る。最も一般的な生成物は、特定の結晶配向性がない多
結晶膜である。多結晶膜は通常、多結晶性基板、アモル
ファス基板、格子不整合が大きい単結晶基板のうち、ど
の基板のタイプを用いても得られる。テクスチャ配向さ
れた膜が、いくつかの特別な条件下で得ることができ
る。まず、相当に大きな格子不整合を持つ単結晶基板を
用いる場合、表面全面に成長する膜は、望ましくは高度
な配向性を持つ。代わりに、堆積後のアニーリング処理
中に、基板表面に沿って、小さなdc(直流)バイアス
電場を印加すれば、好適な配向性を持つ膜を成長させる
ことができる。高速サーマルアニーリングプロセスによ
ってアニーリングされた膜も、また、条件によっては好
適な配向性を示す。格子不整合の小さい単結晶基板を用
いた場合、強誘電性系において、エピタキシャルな膜を
形成することができる。
In step b, each precursor is dissolved in a selected solvent, and then these solutions are mixed to finally obtain a homogeneous solution. In step c, the final solution is subjected to hydrolysis and polycondensation to stabilize the final solution.
This is usually treated by carboxylic acid, beta diketone, alcoholysis and / or hydrolysis. In step d, a precursor solution is deposited on the substrate. Films can be formed from precursor solutions using spin, dipping, or spray techniques. The alcohol solution can generally soak any metal, oxide, or semiconductor substrate that has a thin oxide layer on the surface. Almost any substrate that supports a thin film, is compatible with the film material, and can withstand processing can be used. Here, the thin film was formed by a spin coating technique. The spin coating technique is a well-known deposition method in which a precursor is placed on a wafer, and the wafer is rotated to uniformly distribute the precursor over the entire surface of the wafer. In order to control the film thickness, it is necessary to optimize the spin speed and the viscosity of the solution.
Preferably, the wafer is rotated at a spin speed in the range of 1000 rpm to 7000 rpm for 5 seconds to 120 seconds. The film formed on the substrate in step d is a wet film. In step e, the film is baked to remove organic contents. After the coating process (step d), the wafer is transferred onto a hot plate where it is baked. Alternatively, if control of ambient conditions is desired, baking may be performed using an oven. Preferably, the baking is performed in a temperature range of 150-350 ° C for a time between 1-15 minutes. The drying step may be arbitrarily set between the coating and baking steps. Preferably, drying is in a temperature range
Perform at 150-200 ° C. If the desired film thickness cannot be obtained by one coating, spin,
The steps of drying and baking, that is, steps d and e are repeated. In step f, after the final layer has been coated and baked, the film is annealed in a diffusion furnace or rapid thermal annealing system. Annealing is preferably performed in various flow rates of oxygen atmosphere for various times and at various temperatures. Crystal films having different morphologies can be obtained depending on the type of substrate and the processing method. The most common products are polycrystalline films without specific crystallographic orientation. The polycrystalline film is usually obtained by using any type of substrate among a polycrystalline substrate, an amorphous substrate, and a single crystal substrate having a large lattice mismatch. Texture oriented films can be obtained under some special conditions. First, when a single crystal substrate having a considerably large lattice mismatch is used, a film grown on the entire surface preferably has a high degree of orientation. Alternatively, applying a small dc (direct current) bias electric field along the substrate surface during the post-deposition annealing process can grow a film with suitable orientation. Films annealed by the rapid thermal annealing process also exhibit suitable orientation, depending on the conditions. When a single crystal substrate having small lattice mismatch is used, an epitaxial film can be formed in a ferroelectric system.

【0039】(実施形態1)上述したように、室温下の
溶液調製手法を用いた化学的前駆溶液手法によって、Sr
Bi2Ta2O9膜を形成した。SrBi2Ta2O9を作製するために、
2−エチルヘキサン酸ビスマス、酢酸ストロンチウムお
よびタンタルエトキシドを前駆物質として選定し、酢
酸、2−エチルヘキサン酸および2−メトキシエタノー
ルを溶媒として選定した。選定された前駆物質は、外界
室温条件下で対応する溶媒中で高い可溶性を有した。2
−エチルヘキサン酸ビスマスは2−エチルヘキサン酸に
溶解し、酢酸ストロンチウムは酢酸に溶解し、タンタル
エトキシド溶液は2−メトキシエタノール溶液中に形成
された。処理中におけるビスマスの損失を考慮して、過
剰にビスマスを添加した。30%過剰にビスマスを添加
したときに、最も良好な結果を得た。その後、その多種
溶液を混合した。最終溶液は、安定かつ透明であった。
溶液の粘度及び表面張力は、2−メトキシエタノールの
含有量を変えることによって制御した。本実施形態で
は、膜のアニーリングを、酸素雰囲気中で温度範囲600-
750℃で行った。図2に、本実施形態の膜のX線回折パ
ターンを示す。この膜は、パイロクロアも二次的な相(s
econdary phase)も含んでおらず、650℃で良好に結晶化
されていることがわかった。アニーリング温度が上昇す
るにつれ、X線回折パターンのピークの強度と鋭さが増
加することがわかった。このことは、結晶粒の大きさお
よび結晶化度の増大を示している。図3は、750℃でア
ニーリングされた膜の原子間力顕微鏡写真である。この
膜はクラックや欠陥のない密な微細構造を示している。
電気特性は金属−強誘電性膜−金属(MFM)形状にお
ける膜について得られた。スパッタリングによって膜の
上部表面にマスクを通してプラチナ電極を堆積させるこ
とによって、MFMキャパシタを形成した。膜をエッチ
ングすることによって、下部のプラチナ電極を設置し
た。750℃でアニーリングされた膜の誘電率は、100kH
zの周波数で330であった。図4は、750℃でアニーリン
グされた膜におけるP−Eヒステリシスループを示す図
である。 SrBi2Ta2O9薄膜の残留分極値(2Pr)は17.2
μC/cm2、抗電界値は23kV/cmであった。図5に示すよ
うに、この膜は、少なくとも1010回までの両極性の負荷
を印加したスイッチングサイクル下で、良好な耐スイッ
チング性を示した。
(Embodiment 1) As described above, Sr is obtained by a chemical precursor solution method using a solution preparation method at room temperature.
A Bi 2 Ta 2 O 9 film was formed. To make SrBi 2 Ta 2 O 9 ,
Bismuth 2-ethylhexanoate, strontium acetate and tantalum ethoxide were selected as precursors, and acetic acid, 2-ethylhexanoic acid and 2-methoxyethanol were selected as solvents. The selected precursors had high solubility in corresponding solvents under ambient room temperature conditions. 2
Bismuth-ethylhexanoate was dissolved in 2-ethylhexanoic acid, strontium acetate was dissolved in acetic acid, and tantalum ethoxide solution was formed in 2-methoxyethanol solution. Bismuth was added in excess, taking into account the loss of bismuth during processing. The best results were obtained when a 30% excess of bismuth was added. Thereafter, the various solutions were mixed. The final solution was stable and clear.
The viscosity and surface tension of the solution were controlled by changing the content of 2-methoxyethanol. In the present embodiment, the annealing of the film is performed in an oxygen atmosphere in a temperature range of 600-
Performed at 750 ° C. FIG. 2 shows an X-ray diffraction pattern of the film of the present embodiment. This membrane has a pyrochlore secondary phase (s
It did not contain any econdary phase, and was found to be well crystallized at 650 ° C. It was found that the intensity and sharpness of the peak of the X-ray diffraction pattern increased as the annealing temperature increased. This indicates an increase in crystal grain size and crystallinity. FIG. 3 is an atomic force micrograph of the film annealed at 750 ° C. This film shows a dense microstructure without cracks and defects.
Electrical properties were obtained for films in the metal-ferroelectric film-metal (MFM) configuration. An MFM capacitor was formed by depositing a platinum electrode through a mask on the upper surface of the film by sputtering. The lower platinum electrode was placed by etching the film. The dielectric constant of the film annealed at 750 ° C is 100 kHz
It was 330 at the frequency of z. FIG. 4 is a diagram showing a PE hysteresis loop in a film annealed at 750 ° C. The remanent polarization value (2Pr) of the SrBi 2 Ta 2 O 9 thin film is 17.2
μC / cm 2 and the coercive electric field value were 23 kV / cm. As shown in FIG. 5, this film exhibited good switching resistance under switching cycles with at least 10 10 bipolar loads.

【0040】(実施形態2)(1-x)SrBi2Ta2O9-xBi3TiTa
O9薄膜の形成において、2−エチルヘキサン酸ビスマ
ス、酢酸ストロンチウム、チタン酸イソプロピルおよび
タンタルエトキシドを前駆物質として選定し、酢酸、2
-エチルヘキサン酸および2-メトキシエタノールを溶媒
として選定した。選定された前駆物質は、外界室温下で
対応する溶媒中で高い可溶性を有した。2-エチルヘキ
サン酸ビスマスは2-エチルヘキサン酸に溶解し、酢酸
ストロンチウムは酢酸に溶解し、タンタルエトキシドと
チタン酸イソプロピルを含む溶液は2-メトキシエタノ
ール溶液中に形成された。処理中におけるビスマスの損
失を考慮して、過剰にビスマスを添加した。その後、そ
の多種溶液を混合した。最終溶液は、安定かつ透明であ
った。溶液の粘度及び表面張力は、2-メトキシエタノ
ールの含有量を変えることによって制御した。本実施形
態では、化合物0.7SrBi2Ta2O9-0.3Bi3TiTaO9の膜のアニ
ーリングを、酸素雰囲気中で温度範囲600-750℃で行っ
た。図6に、本実施形態の膜のX線回折パターンを示
す。この膜は、パイロクロアも二次的な相も含んでおら
ず、600℃で良好に結晶化されていることがわかった。
アニーリング温度が上昇するにつれ、X線回折パターン
のピークの強度と鋭さが増加することがわかった。この
ことは、結晶粒の大きさおよび結晶化度の増大を示して
いる。図7は、750℃でアニーリングされた膜の原子間
力顕微鏡写真である。この膜はクラックや欠陥のない密
な微細構造を示している。結晶粒の大きさは同様の条件
下でアニーリングされたSrBi2Ta2O9膜(図3)と比較し
て、かなり改善されたことがわかった。電気特性は金属
−強誘電性膜−金属(MFM)形状における膜について
得られた。スパッタリングによって膜の上部表面にマス
クを通してプラチナ電極を堆積させることによって、M
FMキャパシタを作製した。膜をエッチングすることに
よって、下部のプラチナ電極を設置した。750℃でアニ
ーリングされた膜の誘電率は、100kHzの周波数で200
であった。図8は、750℃でアニーリングされた膜にお
けるP−Eヒステリシスループを示す図である。0.7SrB
i2Ta2O9-0.3Bi3TiTaO9薄膜の残留分極値(2Pr)値は2
7.8μC/cm2、抗電界値は68kV/cmであった。また、650
℃でアニーリングされた本実施形態の膜は、SrBi2Ta2O9
膜と比較してかなり改善された強誘電特性も示した(表
1)。メモリデバイスの好適なバリア層を選択するのに
役立つように、低い温度での処理が望まれる。2Pr
は、固溶体についてかなり改良されたことが解る(表
1)。図9に示すように、この膜は、少なくとも1010
までの両極性の負荷を印加したスイッチングサイクル下
で、良好な耐スイッチング性を示した。
(Embodiment 2) (1-x) SrBi 2 Ta 2 O 9 -xBi 3 TiTa
In forming the O 9 thin film, bismuth 2-ethylhexanoate, strontium acetate, isopropyl titanate and tantalum ethoxide were selected as precursors, and acetic acid,
-Ethylhexanoic acid and 2-methoxyethanol were selected as solvents. The selected precursors had high solubility in the corresponding solvents at ambient room temperature. Bismuth 2-ethylhexanoate was dissolved in 2-ethylhexanoic acid, strontium acetate was dissolved in acetic acid, and a solution containing tantalum ethoxide and isopropyl titanate was formed in a 2-methoxyethanol solution. Bismuth was added in excess, taking into account the loss of bismuth during processing. Thereafter, the various solutions were mixed. The final solution was stable and clear. The viscosity and surface tension of the solution were controlled by changing the content of 2-methoxyethanol. In this embodiment, the film of the compound 0.7SrBi 2 Ta 2 O 9 -0.3Bi 3 TiTaO 9 was annealed in an oxygen atmosphere at a temperature range of 600 to 750 ° C. FIG. 6 shows an X-ray diffraction pattern of the film of the present embodiment. This film contained neither pyrochlore nor secondary phases, and was found to be well crystallized at 600 ° C.
It was found that the intensity and sharpness of the peak of the X-ray diffraction pattern increased as the annealing temperature increased. This indicates an increase in crystal grain size and crystallinity. FIG. 7 is an atomic force micrograph of the film annealed at 750 ° C. This film shows a dense microstructure without cracks and defects. It was found that the grain size was significantly improved compared to the SrBi 2 Ta 2 O 9 film annealed under similar conditions (FIG. 3). Electrical properties were obtained for films in the metal-ferroelectric film-metal (MFM) configuration. By depositing a platinum electrode through a mask on the upper surface of the film by sputtering, M
An FM capacitor was manufactured. The lower platinum electrode was placed by etching the film. The dielectric constant of the film annealed at 750 ° C. is 200 at a frequency of 100 kHz.
Met. FIG. 8 is a diagram showing a PE hysteresis loop in a film annealed at 750 ° C. 0.7SrB
The remanent polarization (2Pr) value of the i 2 Ta 2 O 9 -0.3Bi 3 TiTaO 9 thin film is 2
The coercive electric field value was 7.8 μC / cm 2 and 68 kV / cm. Also, 650
The film of the present embodiment that has been annealed at C ° C. is SrBi 2 Ta 2 O 9
It also showed significantly improved ferroelectric properties compared to the films (Table 1). Low temperature processing is desired to help select a suitable barrier layer for the memory device. It can be seen that the 2P r values were significantly improved for solid solutions (Table 1). As shown in FIG. 9, the film exhibited good switching resistance under switching cycles with at least 10 10 bipolar loads.

【0041】(実施形態3)(1-x)SrBi2Ta2O9-xBi3TiNb
O9薄膜の形成において、2−エチルヘキサン酸ビスマ
ス、酢酸ストロンチウム、チタン酸イソプロピル、タン
タルエトキシドおよびニオビウムエトキシドを前駆物質
として選定し、酢酸、2-エチルヘキサン酸および2-メ
トキシエタノールを溶媒として選定した。選定された前
駆物質は、外界室温下で対応する溶媒中で高い可溶性を
有した。2-エチルヘキサン酸ビスマスは2-エチルヘキ
サン酸に溶解し、酢酸ストロンチウムは酢酸に溶解し、
ニオビウムエトキシドとタンタルエトキシドとチタン酸
イソプロピルとを含む溶液は2-メトキシエタノール溶
液中に形成された。処理中におけるビスマスの損失を考
慮して、過剰にビスマスを添加した。その後、その多種
溶液を混合した。最終溶液は、安定かつ透明であった。
溶液の粘度及び表面張力は、2-メトキシエタノールの
含有量を変えることによって制御した。本実施形態で
は、化合物0.8SrBi2Ta2O9-0.2Bi3TiNbO9の膜のアニーリ
ングを、酸素雰囲気中で温度範囲600-750℃で行った。
図10に、本実施形態の膜のX線回折パターンを示す。
この膜は、パイロクロアも二次的な相も含んでおらず、
600℃で良好に結晶化されていることがわかった。アニ
ーリング温度が上昇するにつれ、X線回折パターンのピ
ークの強度と鋭さが増加することがわかった。このこと
は、結晶粒の大きさおよび結晶化度の増大を示してい
る。図11は、750℃でアニーリングされた膜の原子間
力顕微鏡写真である。この膜はクラックや欠陥のない密
な微細構造を示している。結晶粒の大きさは同様の条件
下でアニーリングされたSrBi2Ta2O9膜(図3)と比較し
て、かなり改善されたことがわかった。電気特性は金属
−強誘電性膜−金属(MFM)形状における膜について
得られた。スパッタリングによって膜の上部表面にマス
クを通してプラチナ電極を堆積させることによって、M
FMキャパシタを作製した。膜をエッチングすることに
よって、下部のプラチナ電極を設置した。750℃でアニ
ーリングされた膜の誘電率は、100kHzの周波数で200
であった。図12は、750℃でアニーリングされた膜に
おけるP−Eヒステリシスループを示す図である。0.8S
rBi2Ta2O9-0.2Bi3TiNbO9薄膜の残留分極値(2Pr)は2
6.9μC/cm2、抗電界値は68kV/cmであった。また、650
℃でアニーリングされた本実施形態の膜は、SrBi2Ta2O9
膜と比較してかなり改善された強誘電特性も示した(表
1)。2Pr値は、固溶体において、非常に改善された
ことがわかった(表1)。図13に示すように、この膜
は、少なくとも1010回までの両極性の負荷を印加したス
イッチングサイクル下で、良好な耐スイッチング性を示
した。次表に、前述の実施形態1〜3の実験結果を示
す。これにより、強誘電特性が改善されたことがわか
る。
(Embodiment 3) (1-x) SrBi 2 Ta 2 O 9 -xBi 3 TiNb
O 9 in the formation of thin films, bismuth 2-ethylhexanoate, strontium acetate, isopropyl titanate, tantalum ethoxide and niobium ethoxide were selected as precursors, acetate, 2-ethylhexanoate and 2-methoxyethanol as a solvent Selected. The selected precursors had high solubility in the corresponding solvents at ambient room temperature. Bismuth 2-ethylhexanoate dissolves in 2-ethylhexanoic acid, strontium acetate dissolves in acetic acid,
A solution containing niobium ethoxide, tantalum ethoxide and isopropyl titanate was formed in a 2-methoxyethanol solution. Bismuth was added in excess, taking into account the loss of bismuth during processing. Thereafter, the various solutions were mixed. The final solution was stable and clear.
The viscosity and surface tension of the solution were controlled by changing the content of 2-methoxyethanol. In this embodiment, the film of the compound 0.8SrBi 2 Ta 2 O 9 -0.2Bi 3 TiNbO 9 was annealed in an oxygen atmosphere in a temperature range of 600 to 750 ° C.
FIG. 10 shows an X-ray diffraction pattern of the film of this embodiment.
This membrane contains neither pyrochlore nor secondary phases,
It was found that crystallization was good at 600 ° C. It was found that the intensity and sharpness of the peak of the X-ray diffraction pattern increased as the annealing temperature increased. This indicates an increase in crystal grain size and crystallinity. FIG. 11 is an atomic force micrograph of the film annealed at 750 ° C. This film shows a dense microstructure without cracks and defects. It was found that the grain size was significantly improved compared to the SrBi 2 Ta 2 O 9 film annealed under similar conditions (FIG. 3). Electrical properties were obtained for films in the metal-ferroelectric film-metal (MFM) configuration. By depositing a platinum electrode through a mask on the upper surface of the film by sputtering, M
An FM capacitor was manufactured. The lower platinum electrode was placed by etching the film. The dielectric constant of the film annealed at 750 ° C. is 200 at a frequency of 100 kHz.
Met. FIG. 12 is a diagram showing a PE hysteresis loop in a film annealed at 750 ° C. 0.8S
The remanent polarization value (2Pr) of the rBi 2 Ta 2 O 9 -0.2Bi 3 TiNbO 9 thin film is 2
The coercive electric field value was 6.9 μC / cm 2 and 68 kV / cm. Also, 650
The film of the present embodiment that has been annealed at C ° C. is SrBi 2 Ta 2 O 9
It also showed significantly improved ferroelectric properties compared to the films (Table 1). The 2Pr value was found to be greatly improved in the solid solution (Table 1). As shown in FIG. 13, this film exhibited good switching resistance under switching cycles with at least 10 10 bipolar loads applied. The following table shows the experimental results of the first to third embodiments. This indicates that the ferroelectric characteristics have been improved.

【0042】[0042]

【表1】 [Table 1]

【0043】[0043]

【発明の効果】本発明によれば、特に不揮発性ランダム
アクセスメモリと集積電子素子に用いる薄膜として利用
される、層状ペロブスカイト材料の固溶体を作製する方
法を提供することができる。本発明において、アルコキ
シド塩前駆溶液を用いることにより、室温での前駆溶液
の混合が可能となり、また、完成したデバイスのより低
い温度での処理が可能となる。さらに、SBT、(1-x)S
rBi2Ta2O9-xBi3TiTaO9及び(1-x)SrBi2Ta2O9-xB i3TiNbO
9の室温での作製が可能となる。本発明によって650℃と
いう低い堆積後のアニーリング温度で、パイロクロアを
含有しない、高質な結晶膜を形成するために開発され
た、室温での化学的前駆溶液調製手法が提供される。
According to the present invention, it is possible to provide a method for producing a solid solution of a layered perovskite material, which is used particularly as a thin film for a nonvolatile random access memory and an integrated electronic device. In the present invention, the use of the alkoxide salt precursor solution allows mixing of the precursor solution at room temperature and also allows processing of the completed device at lower temperatures. Furthermore, SBT, (1-x) S
rBi 2 Ta 2 O 9 -xBi 3 TiTaO 9 and (1-x) SrBi 2 Ta 2 O 9 -xB i 3 TiNbO
9 at room temperature. The present invention provides a room temperature chemical precursor solution preparation technique that has been developed to form pyrochlore-free, high quality crystalline films at post-deposition annealing temperatures as low as 650 ° C.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】室温条件下で調製されたアルコキシド塩前駆溶
液を用いた化学前駆溶液手法による、層状ペロブスカイ
ト材料およびその固溶体の製造におけるフローダイアグ
ラムを示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a flow diagram in the production of a layered perovskite material and a solid solution thereof by a chemical precursor solution method using an alkoxide salt precursor solution prepared at room temperature.

【図2】SrBi2Ta2O9薄膜のXRDパターンをアニーリン
グ温度の関数として示す図である。
FIG. 2 shows the XRD pattern of a SrBi 2 Ta 2 O 9 thin film as a function of annealing temperature.

【図3】750℃でアニーリングされたSrBi2Ta2O9薄膜の
原子間力顕微鏡写真である。
FIG. 3 is an atomic force micrograph of a SrBi 2 Ta 2 O 9 thin film annealed at 750 ° C.

【図4】SrBi2Ta2O9薄膜における典型的なP−Eヒステ
リシスループを示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a typical PE hysteresis loop in a SrBi 2 Ta 2 O 9 thin film.

【図5】SrBi2Ta2O9薄膜における分極の減衰を、スイッ
チングサイクル数の関数として示す図である。
FIG. 5 shows the decay of polarization in a SrBi 2 Ta 2 O 9 thin film as a function of the number of switching cycles.

【図6】0.7SrBi2Ta2O9-0.3Bi3TiTaO9薄膜のXRDパタ
ーンをアニーリング温度の関数として示す図である。
FIG. 6 shows the XRD pattern of 0.7SrBi 2 Ta 2 O 9 -0.3Bi 3 TiTaO 9 thin film as a function of annealing temperature.

【図7】750℃でアニーリングされた0.7SrBi2Ta2O9-0.3
Bi3TiTaO9薄膜の原子間力顕微鏡写真である。
FIG. 7: 0.7SrBi 2 Ta 2 O 9 -0.3 annealed at 750 ° C.
4 is an atomic force microscope photograph of a Bi 3 TiTaO 9 thin film.

【図8】0.7SrBi2Ta2O9-0.3Bi3TiTaO9薄膜における典型
的なP−Eヒステリシスループを示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing a typical PE hysteresis loop in a 0.7SrBi 2 Ta 2 O 9 -0.3Bi 3 TiTaO 9 thin film.

【図9】0.7SrBi2Ta2O9-0.3Bi3TiTaO9薄膜における分極
の減衰を、スイッチングサイクル数の関数として示す図
である。
FIG. 9 shows the decay of polarization in a 0.7SrBi 2 Ta 2 O 9 -0.3Bi 3 TiTaO 9 thin film as a function of the number of switching cycles.

【図10】0.8SrBi2Ta2O9-0.2Bi3TiTaO9薄膜のXRDパ
ターンをアニーリング温度の関数として示す図である。
FIG. 10 shows the XRD pattern of 0.8SrBi 2 Ta 2 O 9 -0.2Bi 3 TiTaO 9 thin film as a function of annealing temperature.

【図11】750℃でアニールされた0.8SrBi2Ta2O9-0.2Bi
3TiTaO9薄膜の原子間力顕微鏡写真である。
FIG. 11: 0.8SrBi 2 Ta 2 O 9 -0.2Bi annealed at 750 ° C.
3 is an atomic force micrograph of a 3TiTaO 9 thin film.

【図12】0.8SrBi2Ta2O9-0.2Bi3TiTaO9薄膜における典
型的なP−Eヒステリシスループを示す図である。
FIG. 12 is a diagram showing a typical PE hysteresis loop in a 0.8SrBi 2 Ta 2 O 9 -0.2Bi 3 TiTaO 9 thin film.

【図13】0.8SrBi2Ta2O9-0.2Bi3TiTaO9薄膜における分
極の減衰を、スイッチングサイクル数の関数として示す
図である。
FIG. 13 shows the decay of polarization in a 0.8SrBi 2 Ta 2 O 9 -0.2Bi 3 TiTaO 9 thin film as a function of the number of switching cycles.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 21/8242 H01L 29/78 371 21/8247 29/788 29/792 (72)発明者 セシュ ビー. デス アメリカ合衆国 バージニア 24061− 0237, ブラックスバーグ, バージニア テック, ホルデン ホール 213 (72)発明者 プーラン シー. ジョシイ アメリカ合衆国 バージニア 24061− 0237, ブラックスバーグ, バージニア テック, ホルデン ホール 213 (72)発明者 シュバイ チャン アメリカ合衆国 バージニア 24061− 0237, ブラックスバーグ, バージニア テック, ホルデン ホール 213 (72)発明者 ソン オー. リュー アメリカ合衆国 バージニア 24061− 0237, ブラックスバーグ, バージニア テック, ホルデン ホール 213────────────────────────────────────────────────── (5) Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification symbol FI H01L 21/8242 H01L 29/78 371 21/8247 29/788 29/792 (72) Inventor Seshby. Death United States of America Virginia 24061-0237, Blacksburg, Virginia Tech, Holden Hall 213 (72) Inventor Pulancy. Josie United States of America Virginia 24061-0237, Blacksburg, Virginia Tech, Holden Hall 213 (72) Inventor Schweigian United States of America Virginia 24061-0237, Blacksburg, Virginia Tech, Holden Hall 213 (72) Inventor Son Oh. Liu United States Virginia 24061-0237, Blacksburg, Virginia Tech, Holden Hall 213

Claims (13)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 a)2−エチルヘキサン酸ビスマスを第
1の溶媒に溶解させて第1の溶液を調製する工程と、 b)酢酸ストロンチウムを第2の溶媒に溶解させて第2
の溶液を調製する工程と、 c)タンタルエトキシドを第3の溶媒に溶解させて第3
の溶液を調製する工程と、 d)該a)から該c)の各工程で調製された溶液を混合
させて1つの均質な溶液を調製する工程と、 e)該均質な溶液を基板上に堆積して、該基板上に膜を
形成する工程と、を包含しており、該a)から該d)ま
での工程が外界室温で行われる、層状ペロブスカイト膜
の形成方法。
A) dissolving bismuth 2-ethylhexanoate in a first solvent to prepare a first solution; and b) dissolving strontium acetate in a second solvent to prepare a second solution.
And c) dissolving tantalum ethoxide in a third solvent to form a third solution.
D) mixing the solutions prepared in each of the steps a) to c) to prepare one homogeneous solution; and e) disposing the homogeneous solution on a substrate. Depositing to form a film on the substrate, wherein the steps a) to d) are performed at ambient room temperature.
【請求項2】 600℃から750℃の間の温度で、前
記基板と前記膜とをアニーリングする工程をさらに包含
する、請求項1に記載の形成方法。
2. The method according to claim 1, further comprising the step of annealing the substrate and the film at a temperature between 600 ° C. and 750 ° C.
【請求項3】 前記第1の溶媒が2−エチルヘキサン酸
であり、前記第2の溶媒が酢酸であり、前記第3の溶媒
が2−メトキシエタノールである、請求項1に記載の形
成方法。
3. The method according to claim 1, wherein said first solvent is 2-ethylhexanoic acid, said second solvent is acetic acid, and said third solvent is 2-methoxyethanol. .
【請求項4】 約30%の過剰ビスマスを加える工程を
さらに包含する、請求項3に記載の形成方法。
4. The method of claim 3 further comprising the step of adding about 30% excess bismuth.
【請求項5】 上部電極と下部電極とを形成する工程で
あって、該2つの電極が前記膜を挟み込むことによりキ
ャパシタ構造を形成する工程をさらに包含する、請求項
1に記載の形成方法。
5. The method according to claim 1, further comprising the step of forming an upper electrode and a lower electrode, wherein the two electrodes sandwich the film to form a capacitor structure.
【請求項6】 a)2−エチルヘキサン酸ビスマスを第
1の溶媒に溶解させて第1の溶液を調製する工程と、 b)酢酸ストロンチウムを第2の溶媒に溶解させて第2
の溶液を調製する工程と、 c)チタン酸イソプロピルとタンタルエトキシドとを第
3の溶媒に溶解させて第3の溶液を調製する工程と、 d)該a)から該c)の各工程で調製された溶液を混合
させて1つの均質な溶液を調製する工程と、 e)該均質な溶液を基板上に堆積して、該基板上に(1-
x)SrBi2Ta2O9-xBi3TiTaO9膜を形成する工程と、を包含
しており、該a)から該d)までの工程が外界室温で行
われる、層状ペロブスカイト膜の形成方法。
6. A step of preparing a first solution by dissolving bismuth 2-ethylhexanoate in a first solvent; and b) dissolving strontium acetate in a second solvent to prepare a second solution.
C) dissolving isopropyl titanate and tantalum ethoxide in a third solvent to prepare a third solution; and d) each of the steps a) to c). Mixing the prepared solutions to prepare one homogeneous solution; e) depositing the homogeneous solution on a substrate and depositing (1-
x) a step of forming a SrBi 2 Ta 2 O 9 -xBi 3 TiTaO 9 film, wherein the steps a) to d) are performed at ambient room temperature.
【請求項7】 600℃から750℃の間の温度で、前
記基板と前記膜とをアニーリングする工程をさらに包含
する、請求項6に記載の形成方法。
7. The method of claim 6, further comprising the step of annealing the substrate and the film at a temperature between 600 ° C. and 750 ° C.
【請求項8】 前記第1の溶媒が2−エチルヘキサン酸
であり、前記第2の溶媒が酢酸であり、前記第3の溶媒
が2−メトキシエタノールである、請求項6に記載の形
成方法。
8. The method according to claim 6, wherein the first solvent is 2-ethylhexanoic acid, the second solvent is acetic acid, and the third solvent is 2-methoxyethanol. .
【請求項9】 上部電極と下部電極とを形成する工程で
あって、該2つの電極が前記膜を挟み込むことによりキ
ャパシタ構造を形成する工程をさらに包含する、請求項
6に記載の形成方法。
9. The method according to claim 6, further comprising the step of forming an upper electrode and a lower electrode, wherein the two electrodes sandwich the film to form a capacitor structure.
【請求項10】 a)2−エチルヘキサン酸ビスマスを
第1の溶媒に溶解させて第1の溶液を調製する工程と、 b)酢酸ストロンチウムを第2の溶媒に溶解させて第2
の溶液を調製する工程と、 c)チタン酸イソプロピルとタンタルエトキシドとニオ
ビウムエトキシドとを第3の溶媒に溶解させて第3の溶
液を調製する工程と、 d)該a)から該c)の各工程で調製された溶液を混合
させて1つの均質な溶液を調製する工程と、 e)該均質な溶液を基板上に堆積して、該基板上に(1-
x)SrBi2Ta2O9-xBi3TiNbO9膜を形成する工程と、を包含
しており、該a)から該d)までの工程が外界室温で行
われる、層状ペロブスカイト膜の形成方法。
10. A step of preparing a first solution by dissolving bismuth 2-ethylhexanoate in a first solvent; and b) dissolving strontium acetate in a second solvent to prepare a second solution.
C) dissolving isopropyl titanate, tantalum ethoxide, and niobium ethoxide in a third solvent to prepare a third solution; and d) preparing the solution from a) to c). Mixing the solutions prepared in each of the steps to prepare one homogeneous solution; and e) depositing the homogeneous solution on a substrate and forming (1-
x) a step of forming a SrBi 2 Ta 2 O 9 -xBi 3 TiNbO 9 film, wherein the steps a) to d) are performed at ambient room temperature.
【請求項11】 600℃から750℃の間のある温度
で、前記基板と前記膜とをアニーリングする工程をさら
に包含する、請求項10に記載の形成方法。
11. The method of claim 10, further comprising the step of annealing the substrate and the film at a temperature between 600 ° C. and 750 ° C.
【請求項12】 前記第1の溶媒が2−エチルヘキサン
酸であり、前記第2の溶媒が酢酸であり、前記第3の溶
媒が2−メトキシエタノールである、請求項10に記載
の形成方法。
12. The method according to claim 10, wherein the first solvent is 2-ethylhexanoic acid, the second solvent is acetic acid, and the third solvent is 2-methoxyethanol. .
【請求項13】 上部電極と下部電極とを形成する工程
であって、該2つの電極が前記膜を挟み込むことにより
キャパシタ構造を形成する工程をさらに包含する、請求
項10に記載の形成方法。
13. The forming method according to claim 10, further comprising a step of forming an upper electrode and a lower electrode, wherein the two electrodes sandwich the film to form a capacitor structure.
JP10120924A 1997-05-06 1998-04-30 Formation of layer perovskite film Withdrawn JPH1149600A (en)

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